Novinky - Přehled antén pro přenosové vedení založených na metamateriálech (2. část)

2. Aplikace MTM-TL v anténních systémech
Tato část se zaměří na umělé metamateriálové TL a některé z jejich nejběžnějších a nejrelevantnějších aplikací pro realizaci různých anténních struktur s nízkými náklady, snadnou výrobou, miniaturizací, širokou šířkou pásma, vysokým ziskem a účinností, možností skenování v širokém rozsahu a nízkým profilem. Jsou diskutovány níže.

1. Širokopásmové a multifrekvenční antény
V typickém TL s délkou l, když je dána úhlová frekvence ω0, lze elektrickou délku (nebo fázi) přenosového vedení vypočítat následovně:

Kde vp představuje fázovou rychlost přenosového vedení. Jak je patrné z výše uvedeného, šířka pásma úzce odpovídá skupinovému zpoždění, které je derivací φ vzhledem k frekvenci. S tím, jak se délka přenosového vedení zkracuje, se šířka pásma také rozšiřuje. Jinými slovy, mezi šířkou pásma a základní fází přenosového vedení existuje inverzní vztah, který je specifický pro daný návrh. To ukazuje, že v tradičních distribuovaných obvodech není provozní šířka pásma snadno řízena. To lze připsat omezením tradičních přenosových vedení z hlediska stupňů volnosti. Zatěžovací prvky však umožňují použití dalších parametrů v metamateriálových TL a fázovou odezvu lze do určité míry řídit. Pro zvýšení šířky pásma je nutné mít podobný sklon disperzních charakteristik v blízkosti provozní frekvence. Umělé metamateriálové TL mohou tohoto cíle dosáhnout. Na základě tohoto přístupu je v článku navrženo mnoho metod pro zvýšení šířky pásma antén. Vědci navrhli a vyrobili dvě širokopásmové antény s rezonátory s děleným kruhovým uspořádáním (viz obrázek 7). Výsledky uvedené na obrázku 7 ukazují, že po zatížení děleného prstencového rezonátoru konvenční monopólovou anténou je excitován režim s nízkou rezonanční frekvencí. Velikost děleného prstencového rezonátoru je optimalizována pro dosažení rezonance blízké rezonanci monopólové antény. Výsledky ukazují, že když se obě rezonance shodují, šířka pásma a vyzařovací charakteristiky antény se zvětší. Délka a šířka monopólové antény jsou 0,25λ0×0,11λ0 a 0,25λ0×0,21λ0 (4 GHz) a délka a šířka monopólové antény zatížené děleným prstencovým rezonátorem jsou 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz). U konvenční antény ve tvaru F a antény ve tvaru T bez děleného prstencového rezonátoru je nejvyšší zisk a vyzařovací účinnost naměřené v pásmu 5 GHz 3,6 dBi - 78,5 % a 3,9 dBi - 80,2 %. Pro anténu zatíženou děleným prstencovým rezonátorem jsou tyto parametry v pásmu 6 GHz 4 dBi - 81,2 % a 4,4 dBi - 83 %. Implementací děleného prstencového rezonátoru jako přizpůsobovací zátěže na monopólové anténě lze podporovat pásma 2,9 GHz ~ 6,41 GHz a 2,6 GHz ~ 6,6 GHz, což odpovídá zlomkovým šířkám pásma 75,4 %, respektive ~87 %. Tyto výsledky ukazují, že šířka pásma měření se zlepšila přibližně 2,4krát a 2,11krát ve srovnání s tradičními monopólovými anténami přibližně pevné velikosti.

Obrázek 7. Dvě širokopásmové antény s rezonátory s rozděleným kruhem.

Jak je znázorněno na obrázku 8, jsou znázorněny experimentální výsledky kompaktní tištěné monopólové antény. Při S11 ≤ 10 dB je provozní šířka pásma 185 % (0,115–2,90 GHz) a při 1,45 GHz je špičkový zisk a vyzařovací účinnost 2,35 dBi a 78,8 %. Uspořádání antény je podobné trojúhelníkové plošné struktuře zády k sobě, která je napájena křivočarým děličem výkonu. Zkrácený GND obsahuje centrální pahýl umístěný pod napáječem a kolem něj jsou rozmístěny čtyři otevřené rezonanční prstence, což rozšiřuje šířku pásma antény. Anténa vyzařuje téměř všesměrově a pokrývá většinu pásem VHF a S a všechna pásma UHF a L. Fyzické rozměry antény jsou 48,32 × 43,72 × 0,8 mm3 a elektrické rozměry jsou 0,235λ0 × 0,211λ0 × 0,003λ0. Má výhody malých rozměrů a nízkých nákladů a má potenciální využití v širokopásmových bezdrátových komunikačních systémech.

Obrázek 8: Monopolová anténa s děleným prstencovým rezonátorem.

Obrázek 9 znázorňuje planární anténní strukturu sestávající ze dvou párů propojených meandrových drátových smyček uzemněných k uzemňovací rovině ve tvaru komolého T přes dva průchody. Velikost antény je 38,5 × 36,6 mm2 (0,070λ0 × 0,067λ0), kde λ0 je vlnová délka ve volném prostoru 0,55 GHz. Anténa vyzařuje všesměrově v rovině E v provozním frekvenčním pásmu 0,55 ~ 3,85 GHz s maximálním ziskem 5,5 dBi při 2,35 GHz a účinností 90,1 %. Díky těmto vlastnostem je navrhovaná anténa vhodná pro různé aplikace, včetně UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi a Bluetooth.

Obr. 9 Navrhovaná struktura planární antény.

2. Anténa s únikovou vlnou (LWA)
Nová anténa s únikovou vlnou je jednou z hlavních aplikací pro realizaci umělé metamateriální TL. U antén s únikovou vlnou je vliv fázové konstanty β na vyzařovací úhel (θm) a maximální šířku paprsku (Δθ) následující:

L je délka antény, k0 je vlnočíslo ve volném prostoru a λ0 je vlnová délka ve volném prostoru. Všimněte si, že k záření dochází pouze tehdy, když |β|

3. Anténa s rezonátorem nultého řádu
Unikátní vlastností metamateriálu CRLH je, že β může být 0, i když frekvence není rovna nule. Na základě této vlastnosti lze generovat nový rezonátor nultého řádu (ZOR). Když je β nulové, nedochází k žádnému fázovému posunu v celém rezonátoru. Je to proto, že konstanta fázového posunu φ = - βd = 0. Rezonance navíc závisí pouze na jalovém zatížení a je nezávislá na délce struktury. Obrázek 10 ukazuje, že navrhovaná anténa je vyrobena použitím dvou a tří jednotek ve tvaru E a celková velikost je 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 a 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, kde λ0 představuje vlnovou délku volného prostoru při provozních frekvencích 500 MHz a 650 MHz. Anténa pracuje na frekvencích 0,5–1,35 GHz (0,85 GHz) a 0,65–1,85 GHz (1,2 GHz) s relativní šířkou pásma 91,9 % a 96,0 %. Kromě charakteristik malé velikosti a široké šířky pásma je zisk a účinnost první a druhé antény 5,3 dBi a 85 % (1 GHz) a 5,7 dBi a 90 % (1,4 GHz).

Obr. 10 Navrhované struktury antén s dvojitou E a trojitou E.

4. Štěrbinová anténa
Byla navržena jednoduchá metoda pro zvětšení apertury antény CRLH-MTM, ale její velikost zůstala téměř nezměněna. Jak je znázorněno na obrázku 11, anténa obsahuje jednotky CRLH naskládané vertikálně na sobě, které obsahují záplaty a meandrové čáry, a na záplatě je štěrbina ve tvaru S. Anténa je napájena přizpůsobovacím pahýlem CPW a její rozměry jsou 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, což odpovídá 0,204λ0×0,375λ0×0,018λ0, kde λ0 (3,5 GHz) představuje vlnovou délku volného prostoru. Výsledky ukazují, že anténa pracuje ve frekvenčním pásmu 0,85–7,90 GHz a její provozní šířka pásma je 161,14 %. Nejvyšší vyzařovací zisk a účinnost antény se objevují při 3,5 GHz, což je 5,12 dBi a ~80 %.